二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法及系统

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法及系统。

背景技术

近年来，随着卫星技术的发展，通过多种不同型号、用途的卫星联合组网形成了能够执行多种不同观测任务的卫星星座系统；在多星联合区域扫描覆盖任务中，具备二维扫描能力的卫星有着独特的优势，为进一步提高卫星载荷的利用率和多星联合系统的区域扫描效率，需要针对区域扫描任务通过多星联合任务规划来制定高效的观测任务计划，统筹管理卫星星座的观测任务。

以往的卫星推扫过程中，卫星载荷相对卫星的姿态固定，仅靠卫星沿轨运行向前扫描区域，在进行多星区域扫描任务规划时，只需要考虑卫星对区域目标的过境时间即可，扫描任务执行效率较低。对于具备二维扫描能力的卫星，其载荷的扫描样式多种多样，有条带拼接扫描，扇形扫描等，在规划过程中仅考虑卫星过境时间，无法有效利用卫星有效载荷的扫描能力，有时甚至由于载荷的特殊扫描方式，造成覆盖区域过程中部分区域被遗漏的现象。因此，有必要面向具有二维扫描能力卫星开发一种多星联合区域扫描覆盖任务规划方法，实现多星联合快速有效地区域全覆盖扫描。

在公开号为CN211653129U的中国专利文献中，公开了一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置，该二维扫描装置包括反射镜和扫描驱动系统和轴线，其中：反射镜用于反射发射激光束，反射镜的法线与该轴线形成固定夹角α，反射镜的法线与入射的发射激光束存在入射夹角θ；该发射激光束以固定指向到达反射镜的反射镜面，该扫描驱动系统通过扫描轴带动反射镜绕轴线进行360°旋转，从而该发射激光束的反射方向随之周期性改变，形成环形的激光扫描轨迹，实现对目标的二维扫描。但该专利文献提供的二维扫描装置只提高发射激光束的有效利用率，而本发明是根据卫星的视场大小离散区域目标，对已规划的区域离散点效益值降低以实现区域目标多星联合扫描覆盖任务规划，与该专利文献解决的技术问题具有本质性不同。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法及系统。

根据本发明提供的一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法，包括：

步骤S1：采集目标区域的数据，将目标区域离散为点集；

步骤S2：计算并处理相关参数；

所述参数包括离散区域效益、卫星过境时序和单星可探测时间；

步骤S3：若所有预设卫星都已规划完毕，则输出规划结果；否则，重复步骤S2。

优选的，所述步骤S1包括以下子步骤：

步骤S1.1：在目标区域构建离散集合；基于不大于卫星瞬时幅宽的预设值将目标区域离散形成点集P，对每个点p

步骤S1.2：构建离散点集的效益值；基于点集P为每个点p

步骤S1.3：单次扫描区域；将靠近星下点一侧瞬时幅宽与瞬时幅宽中的较大值作为直径，以第一个离散点为圆心，形成一个圆形区域；所述圆形区域的面积小于实际单星单次能够扫描的最大区域面积；

步骤S1.4：以圆形区域半径的一半为间隔横向滑动圆心或纵向滑动圆心，直至圆的范围超出目标区域；遍历整个目标区域，构建不同的圆形区域，得到圆形区域集合C。

优选的，所述瞬时幅宽的预设值包括卫星视场指向星下点时，矩形视场较短边长的一半长度，且每个离散点唯一。

优选的，所述横向滑动包括沿东西方向，自东向西滑动；所述纵向滑动包括沿南北方向，自北向南滑动。

优选的，所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S2.1：计算离散区域效益；计算集合P中的点与各个圆心的距离，得到每个圆c

步骤S2.2：计算卫星过境时序；建立卫星集合S，通过轨道递推，计算未来一段时间内所有卫星对目标区域的过境时序；

步骤S2.3：计算单星可探测时间；选取一颗卫星s

步骤S2.4：基于卫星的扫描探测耗时Δt，计算并判断可探测的圆形区域，将最大效益值的圆形区域作为探测对象；若有多个圆形区域效益值相同，则选取最先满足预设探测条件的圆形区域作为探测对象；

步骤S2.5：更新离散点效益；降低探测对象的离散点效益值，重新计算效益值cv

步骤S2.6：在T

优选的，所述步骤S2.4中圆形区域的圆心在卫星指向可机动范围内，且以卫星指向圆心时刻为中心，扫描探测耗时的一半时长为半径构成邻域；所述邻域完全包含于卫星对区域的可探测时间段内时，此圆形区域能够被该卫星探测。

优选的，所述步骤S2.1包括将离散点集P映射到待扫描区域集合C中，将圆形区域c

优选的，所述卫星过境时序基于每颗卫星的轨道模型进行轨道递推，计算任务规划时长内的卫星过境时间窗口后排序获得。

优选的，所述步骤S3包括判断所有卫星是否已完成处理，若是，则结束本次任务规划，输出任务规划结果，否则执行步骤S2.3。

根据本发明提供的一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划系统，包括：

模块M1：采集目标区域的数据，将目标区域离散为点集；

模块M2：计算并处理相关参数；

所述参数包括离散区域效益、卫星过境时序和单星可探测时间；

模块M3：若所有预设卫星都已规划完毕，则输出规划结果；否则，重复模块M2。

优选的，所述模块M1包括以下子模块：

模块M1.1：在目标区域构建离散集合；基于不大于卫星瞬时幅宽的预设值将目标区域离散形成点集P，对每个点p

模块M1.2：构建离散点集的效益值；基于点集P为每个点p

模块M1.3：单次扫描区域；将靠近星下点一侧瞬时幅宽与瞬时幅宽中的较大值作为直径，以第一个离散点为圆心，形成一个圆形区域；所述圆形区域的面积小于实际单星单次能够扫描的最大区域面积；

模块M1.4：以圆形区域半径的一半为间隔横向滑动圆心或纵向滑动圆心，直至圆的范围超出目标区域；遍历整个目标区域，构建不同的圆形区域，得到圆形区域集合C。

优选的，所述瞬时幅宽的预设值包括卫星视场指向星下点时，矩形视场较短边长的一半长度，且每个离散点唯一。

优选的，所述横向滑动包括沿东西方向，自东向西滑动；所述纵向滑动包括沿南北方向，自北向南滑动。

优选的，所述模块M2包括以下子模块：

模块M2.1：计算离散区域效益；计算集合P中的点与各个圆心的距离，得到每个圆c

模块M2.2：计算卫星过境时序；建立卫星集合S，通过轨道递推，计算未来一段时间内所有卫星对目标区域的过境时序；

模块M2.3：计算单星可探测时间；选取一颗卫星s

模块M2.4：基于卫星的扫描探测耗时Δt，计算并判断可探测的圆形区域，将最大效益值的圆形区域作为探测对象；若有多个圆形区域效益值相同，则选取最先满足预设探测条件的圆形区域作为探测对象；

模块M2.5：更新离散点效益；降低探测对象的离散点效益值，重新计算效益值cv

模块M2.6：在T

优选的，所述模块M2.4中圆形区域的圆心在卫星指向可机动范围内，且以卫星指向圆心时刻为中心，扫描探测耗时的一半时长为半径构成邻域；所述邻域完全包含于卫星对区域的可探测时间段内时，此圆形区域能够被该卫星探测。

优选的，所述模块M2.1包括将离散点集P映射到待扫描区域集合C中，将圆形区域c

优选的，所述卫星过境时序基于每颗卫星的轨道模型进行轨道递推，计算任务规划时长内的卫星过境时间窗口后排序获得。

优选的，所述模块M3包括判断所有卫星是否已完成处理，若是，则结束本次任务规划，输出任务规划结果，否则执行模块M2.3。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够将目标区域离散为点集并分配效益值，每次单颗卫星以效益值优先的规则选择需要探测的区域，对已规划的离散点更新其效益值，从而实现多星联合区域扫描覆盖任务规划。

2、本发明能够在多星联合规划任务中，根据不断迭代的离散点效益值尽可能地先规划目标区域未覆盖过的部分，实现较快的区域扫描全覆盖；提供的方法普适性高，对区域扫描任务的使用条件宽松，过程简单，能够在误差可接受的范围内实现对区域的快速扫描全覆盖。

3、本发明能够让卫星优先扫描区域目标中未被探测的部分，实现在有限时间内扫描更多区域面积，快速有效地实现区域目标全覆盖扫描；本发明涉及区域扫描的任务规划方法过程简单明确，仅通过数值计算即可实施，无需借助复杂的仿真工具，具有较强的实用性。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明实施例中卫星扫描方式及视场参数示意图。

图3为本发明实施例中区域目标离散示意图。

图4为本发明实施例中单星单次圆形扫描区域示意图。

图5为本发明实施例中区域目标待扫描圆形区域集合构成示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明的目的是面向具备二维扫描探测能力卫星星座提供一种区域扫描覆盖任务规划方法。

本发明的基本思想是：根据卫星的视场大小离散区域目标，并为其离散点赋予效益值，选择卫星的单次扫描范围作为阈值划分区域目标为圆形待扫描区域集合，以每个圆形区域离散点效益总和优先的原则规划卫星探测的区域对象，对已规划的区域离散点效益值降低，从而实现区域目标多星联合扫描覆盖任务规划。基于此思想，可以在调度规定的时段内优先让卫星扫描未被探测的区域，能够较为均匀地为多星分配规划任务，在尽可能短的时间内实现对区域目标的全覆盖扫描。

参照图1所示，一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法，包括：

针对的卫星是具备二维扫描探测能力的卫星，定义其探测视场距离向可探测下视角范围为ξ

步骤1：任务区域离散集合构建：按照不大于卫星瞬时幅宽较小值的一半将区域离散形成点的集合P，对集合P内每个点p

步骤2：离散点集的效益值集合构建：对照离散点集合P为每个点p

步骤3：单次扫描区域：以L

步骤4：待扫描区域集合：以圆形区域半径的1/2为间隔横向滑动圆心，建立第二个圆形区域，直至圆的边界到达区域外部，然后纵向滑动圆心1次，进行第二行滑动，直至遍历整个区域。得到圆形区域集合C。在以圆形区域滑动划分目标区域时，横向沿东西方向，自东向西滑动；纵向沿南北方向，自北向南滑动；圆形区域的圆心不一定与离散点重合。

步骤5：离散区域效益计算：计算集合P中点与各个圆心的距离，得到每个圆c

步骤6：卫星过境时序计算：建立卫星集合S，通过轨道递推，计算未来一段时间内所有卫星对区域的过境时序。对卫星集合S中的每颗卫星，需根据卫星的轨道模型进行轨道递推，计算出任务规划时长内的卫星过境时间窗口，最终通过排序得到对目标区域的卫星过境时序，再根据单星的视场范围。

步骤7：单星可探测时间计算：取一颗卫星s

步骤8：效益优先探测：结合其扫描探测耗时Δt，计算并判断可探测的圆形区域，取其中最大效益值的圆作为探测对象；若有多个圆效益值相同，取最先具备探测条件的；在判断可探测的圆形区域时，其圆心在卫星指向可机动范围内，且以卫星指向圆心时刻为中心，扫描探测耗时的一半时长为半径构成邻域；此邻域完全包含在卫星对区域的可探测时间段内，才认为此圆形区域可被该卫星探测。

步骤9：离散点效益更新：根据选中的探测对象，降低其包含的离散点效益值。然后重新计算整个cv

步骤10：计算其他带扫描区域可行性：在T

步骤11：判断是否所有卫星都处理完，若是则结束本次任务规划，输出任务规划结果，否则跳转到步骤7。

本发明能够将目标区域离散为点集并分配效益值，每次单颗卫星以效益值优先的规则选择需要探测的区域，对已规划的离散点更新其效益值，从而实现多星联合区域扫描覆盖任务规划，涉及区域扫描的任务规划方法过程简单明确，仅通过数值计算即可实施，无需借助复杂的仿真工具，具有较强的实用性。

以上为本发明的基础实施例，下面通过一个优选实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

参照图1和图2所示，一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法，包括：

步骤1：任务区域离散集合构建：

任务区域离散点间距r(离散半径)可表示为：

其中，L

经过离散后，区域离散形成点的集合P可表示为：

P＝{p

步骤2：离散点集的效益值集合构建：

参照图3所示，区域离散形成点的集合P中的点p

V＝{v

将所有v

步骤3：单次扫描区域：

参照图4所示，单次扫描圆形区域半径r

其中，L

步骤4：待扫描区域集合：

参照图5所示，在判断圆形区域边界是否到达区域外部时，取圆形区域经度或纬度的最大或最小点，与步骤3中第一个离散点p

以单次扫描圆形区域半径的1/2为间隔横向滑动圆心，建立第二个圆形区域，直至圆的边界到达区域外部，然后纵向滑动圆心1次，进行第二行滑动，直至遍历整个区域。

通过滑动构成的待扫描圆形区域集合C可表示为：

C＝{c

以圆形区域滑动划分目标区域时，横向沿东西方向，自东向西滑动，纵向沿南北方向，自北向南滑动；圆形区域圆心不一定与离散点重合。

步骤5：离散区域效益计算：

圆形带扫描区域c

若d

设cp

步骤6-步骤11的计算过程，描述为：根据卫星集合计算其对目标区域的过境时序，遍历卫星集合中的卫星，计算单个卫星的可探测窗口，依据效益优先原则从待扫描圆形区域集合C选择探测对象，对选中的圆形区域，降低其包含的区域离散点效益值，直至所有卫星都遍历规划完毕，此次任务规划结束。其中，卫星集合S中的每颗卫星，需根据卫星的轨道模型进行轨道递推，计算出任务规划时长内的卫星过境时间窗口，最终通过排序得到对目标区域的卫星过境时序，再根据单星的视场范围；判断可探测的圆形区域时，其圆心在卫星指向可机动范围内，且以卫星指向圆心时刻为中心，扫描探测耗时的一半时长为半径构成邻域，此邻域完全包含在卫星对区域的可探测时间段内，才认为此圆形区域可被该卫星探测；根据扫描任务需求，效益值每次减少固定值，或每次按比例减少。以上步骤的伪代码表示如下：

本发明还提供一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划系统，所述二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划系统可以通过执行所述二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划方法理解为所述二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划系统的优选实施方式。

具体的，一种二维扫描卫星星座的区域扫描覆盖任务规划系统，包括：

模块M1：采集目标区域的数据，将目标区域离散为点集；

模块M2：计算并处理相关参数；

所述参数包括离散区域效益、卫星过境时序和单星可探测时间；

模块M3：若所有预设卫星都已规划完毕，则输出规划结果；否则，重复模块M2。

所述模块M1包括以下子模块：

模块M1.1：在目标区域构建离散集合；基于不大于卫星瞬时幅宽的预设值将目标区域离散形成点集P，对每个点p

模块M1.2：构建离散点集的效益值；基于点集P为每个点p

模块M1.3：单次扫描区域；将靠近星下点一侧瞬时幅宽与瞬时幅宽中的较大值作为直径，以第一个离散点为圆心，形成一个圆形区域；所述圆形区域的面积小于实际单星单次能够扫描的最大区域面积；

模块M1.4：以圆形区域半径的一半为间隔横向滑动圆心或纵向滑动圆心，直至圆的范围超出目标区域；遍历整个目标区域，构建不同的圆形区域，得到圆形区域集合C。

所述瞬时幅宽的预设值包括卫星视场指向星下点时，矩形视场较短边长的一半长度，且每个离散点唯一。

所述横向滑动包括沿东西方向，自东向西滑动；所述纵向滑动包括沿南北方向，自北向南滑动。

所述模块M2包括以下子模块：

模块M2.1：计算离散区域效益；计算集合P中的点与各个圆心的距离，得到每个圆c

模块M2.2：计算卫星过境时序；建立卫星集合S，通过轨道递推，计算未来一段时间内所有卫星对目标区域的过境时序；

模块M2.3：计算单星可探测时间；选取一颗卫星s

模块M2.4：基于卫星的扫描探测耗时Δt，计算并判断可探测的圆形区域，将最大效益值的圆形区域作为探测对象；若有多个圆形区域效益值相同，则选取最先满足预设探测条件的圆形区域作为探测对象；

模块M2.5：更新离散点效益；降低探测对象的离散点效益值，重新计算效益值cv

模块M2.6：在T

所述模块M2.4中圆形区域的圆心在卫星指向可机动范围内，且以卫星指向圆心时刻为中心，扫描探测耗时的一半时长为半径构成邻域；所述邻域完全包含于卫星对区域的可探测时间段内时，此圆形区域能够被该卫星探测。

所述模块M2.1包括将离散点集P映射到待扫描区域集合C中，将圆形区域c

所述卫星过境时序基于每颗卫星的轨道模型进行轨道递推，计算任务规划时长内的卫星过境时间窗口后排序获得。

所述模块M3包括判断所有卫星是否已完成处理，若是，则结束本次任务规划，输出任务规划结果，否则执行模块M2.3。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。